一种可校准测温参数的测温方法和装置
技术领域
本发明涉及温度测量领域,特别涉及一种可校准测温参数的测温方法和装置。
背景技术
现有利用红外热电堆传感器测温的方法和装置中,通常在测得热电堆的环境温度和热电堆产生的电压后,根据斯特藩-玻尔兹曼定律来计算被测物体的温度。然而,测温的外界环境并不是理想的常温环境,外界温度通常是时刻变化的,而且,热电堆在测温时自身也会往外辐射能量,这些都会影响到测温的准确性。现有的测温算法中,测温参数均使用经验常数,无法根据外界环境的变化做出调整,更没有方法来校准测温参数,因此,现有的测温方法和装置,其精度有待提高。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处,本发明的目的在于提供一种可校准测温参数的测温方法和装置,通过对测温参数进行校准,提高了测温的准确性。
为了达到上述目的,本发明采取了以下技术方案:
一种可校准测温参数的测温方法,所述方法包括步骤:
A、获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的 电压;
B、根据所述环境温度和电压,校准测温参数;
C、根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数,计算被测物体的实际温度。
所述的可校准测温参数的测温方法中,在所述步骤A之前,还包括步骤:将被测物体放置在红外热电堆传感器的正上方。
所述的可校准测温参数的测温方法中,所述步骤C具体包括:
C1、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的
电压计算整个测温过程的系统参数S:
S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2];
C2、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射VOS:
VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2];
C3、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(VOBJ):
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2;
C4、根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数,计算被测物体的实际温度TOBJ:
其中,所述a1、a2和c2为常数,所述b0、b1、b2和S0为测温参数,所述VOBJ为红外热电堆传感器产生的电压,TDIE为红外热电堆传感器的环境温度,所述TREF为常温,公式中温度的单位均为开尔文。
所述的可校准测温参数的测温方法中,所述步骤B具体包括:
B1、将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为:
b0=-2.94×e-5,b1=-5.7×e-7,b2=4.78×e-9,s0=6×e-14;
B2、根据红外热电堆传感器产生的电压VOBJ,红外热电堆传感器的环境温度TDIE,和
公式计算得出f(VOBJ)的值;
B3、依计算得到的f(VOBJ)的值和公式
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,计算得出热电堆自身的热辐射VOS;
B4、根据公式VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2],对VOS和(TDIE-TREF)进行二项式拟合,得出测温参数b0、b1、b2的值;
B5、根据计算得出的测温参数b0、b1、b2的值,由公式VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2]重新计算 出VOS的值;
B6、根据公式f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,重新计算出f(VOBJ)的值;
B7、根据公式f(VOBJ)=(TOBJ 4-TDIE 4)×S和公式S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],得出公式(TOBJ 4-TDIE 4)×S0=f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],对(TOBJ 4-TDIE 4)和f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2]进行一次线性拟合,得出新的测温参数S0;
B8、循环步骤B2-B7进行迭代计算40次,逐步逼近计算出最优化的测温参数b0、b1、b2和S0。
一种可校准测温参数的测温装置,所述装置包括:
红外热电堆传感器;
参数获取模块,用于获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压;
校准模块,用于根据所述环境温度和电压,校准测温参数;
计算模块,用于根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数,计算被测物体的实际温度。
所述的可校准测温参数的测温装置中,所述被测物体放置在红外热 电堆传感器的正上方。
所述的可校准测温参数的测温装置中,所述计算模块具体用于:
根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S:
S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2];
根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射VOS:
VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2];
根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(VOBJ):
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2;
根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数,计算被测物体的实际温度TOBJ:
其中,所述a1、a2和c2为常数,所述b0、b1、b2和S0为测温参数,所述VOBJ为红外热电堆传感器产生的电压,TDIE为红外热电堆传感器的环境温度,所述TREF为常温,公式中温度的单位均为开尔文。
所述的可校准测温参数的测温装置中,所述常数a1、a2和c2的具体值为:a1=1.75×e-3,a2=-1.68×e-5,c2=13.4。
所述的可校准测温参数的测温装置中,所述校准模块具体用于:
将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为:
b0=-2.94×e-5,b1=-5.7×e-7,b2=4.78×e-9,s0=6×e-14;
根据红外热电堆传感器产生的电压VOBJ,红外热电堆传感器的环境温度TDIE,和公
式计算得出f(VOBJ)的值;
依计算得到的f(VOBJ)的值和公式
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,计算得出热电堆自身的热辐射VOS;
根据公式VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2],对VOS和(TDIE-TREF)进行二项式拟合,得出测温参数b0、b1、b2的值;
根据计算得出的测温参数b0、b1、b2的值,由公式VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2]重新计算出VOS的值;
根据公式f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,重新计算出f(VOBJ)的值;
根据公式f(VOBJ)=(TOBJ 4-TDIE 4)×S和公式 S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],得出公式(TOBJ 4-TDIE 4)×S0=f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],对(TOBJ 4-TDIE 4)和f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2]进行一次线性拟合,得出新的测温参数S0;
对测温参数b0、b1、b2和S0进行迭代计算40次,得出最终的测温参数。
相较于现有技术,本发明提供的可校准测温参数的测温方法和装置,通过获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压,来校准测温参数,使温度的测量不再受外界环境温度的,最后利用校准后的测温参数计算被测物体的实际温度,提高了温度测量的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的可校准测温参数的测温方法的流程图。
图2为本发明提供的可校准测温参数的测温方法中,步骤S40的具体方法流程图。
图3为本发明提供的可校准测温参数的测温装置的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种可校准测温参数的测温方法和装置,通过红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压,先校准测温参数,再计算被测物体的实际温度,提高了测温的准确性。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,本发明提供的可校准测温参数的测温方法,主要利用红外热电堆传感器检测被测物体辐射的能量,再根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算被测物体的温度,所述方法包括步骤:
S10、将被测物体放置在红外热电堆传感器的正上方。所述红外热电堆传感器具有高精度、高灵敏度、低反应时间等特点,可运用在各种环境的测温中。所述红外热电堆传感器中,热电堆吸收在感测范围内被测物体发出的红外能量(热量),热电堆产生的电压代表了红外能量。故可以通过热电堆产生的电压经过一系列计算后,得出被测物体的温度。
S20、获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压。所述红外热电堆传感器的环境温度为红外热电堆传感器自身的温度,具体为红外热电堆传感器中热电堆的温度。红外热电堆传感器产生的电压为被测物体放置在红外热电堆传感器正上方后,热电堆接收到被测物体辐射的能量后产生的电压。
S30、根据所述环境温度和电压,校准测温参数。
S40、根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数,计算被测物体的实际温度。
请参阅图2,所述步骤S40具体包括:
S410、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生 的电压计算整个测温过程的系统参数S,该参数包含环境变化,热源辐射特性等因素对热电堆的影响,所述系统参数S的具体计算公式如下:
S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2];
S420、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射VOS:
VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2];
S430、根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(VOBJ):
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2;
S440、根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数,计算被测物体的实际温度TOBJ:
其中,所述a1、a2和c2为常数,所述b0、b1、b2和S0为测温参数;所述VOBJ为红外热电堆传感器产生的电压;TDIE为红外热电堆传感器的环境温度;所述TREF为常温,具体为298.15K(25℃);公式中温度的单位均为开尔文。
所述步骤S40具体计算公式的理论依据是斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law):一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比。设被测物体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量为ERed,则根据斯特藩-玻尔兹曼定律有:其中,σ为斯特藩-玻尔兹曼常数,σ=5.7×10-12W/cm2/K4。ε为被测物体的发射率,指被测物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比,又称为黑度。
所述VOBJ为红外热电堆传感器热电堆产生的电压,VOBJ近似等于红外热电堆传感器热电堆吸收的全部热量减去自身辐射的热量,需要说明的是,热电堆吸收的全部热量即为被测物体辐射出的总能量ERed,即本发明近似认为热电堆已完全吸收被测物体辐射出的总能量。则有 由此可以推导出被测物体的温度为:
其中,S是整个测温的系统参数,该参数包含环境变化,热源辐射特性等因素对热电堆的影响,即所述系统参数S包含有εσ,还包含环境变化,热源辐射特性等因素对热电堆的影响。所述f(VOBJ)与VOBJ有映射关系(具体见公式
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2),而所述系统参数S使得f(VOBJ)为热红外辐射过来的量值,即被测物体辐射出来的能量,其去除了周边物体的热辐射及热传导的影响,与接收到被测物体的辐射存在一个映射关系,被测物温度升高时,f(VOBJ)也相应升高,反之减少。VOS是热电堆自身的热辐射,b0、b1和b2是环境温度对VOS的影响因子,所述b0、b1、b2和S0为测温参数,需要经过校准。所述a1,a2,c2是红外热电堆传感器的参数,其值为常数。所述常数a1、a2和c2的具体值为:
a1=1.75×e-3,a2=-1.68×e-5,c2=13.4。
进一步的,所述步骤S30具体包括:
S310、将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为:
b0=-2.94×e-5,b1=-5.7×e-7,b2=4.78×e-9,s0=6×e-14。
S320、根据红外热电堆传感器产生的电压VOBJ,红外热电堆传感器的环境温度TDIE,
和公式计算得出f(VOBJ)的值。具体的,计算f
(VOBJ)的公式为:
f(VOBJ)=(TOBJ 4-TDIE 4)×S。
S330、依计算得到的f(VOBJ)的值和公式
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,计算得出热电堆自身的热辐射VOS。计算VOS的公式为:
S340、根据公式
VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2],对VOS和(TDIE-TREF)进行二项式拟合,得出测温参数b0、b1、b2的值;以此次计算得到的b0、b1、b2的值,将原来设置的初始值替换掉。
S350、根据计算得出的测温参数b0、b1、b2的值,由公式
VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2]重新计算出VOS的值。
S360、根据公式f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,重新计算出f(VOBJ)的值。
S370、根据公式f(VOBJ)=(TOBJ 4-TDIE 4)×S和公式S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],得出公式(TOBJ 4-TDIE 4)×S0=f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],对(TOBJ 4-TDIE 4)和f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2]进行一次线性拟合,得出新的测温参数S0,具体的,对(TOBJ 4-TDIE 4)计算出的值和f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2]计算出的值进行一次线性拟合,得出新的测温参数S0。
S380、循环步骤S320-S370进行迭代计算40次,逐步逼近计算出最优化的测温参数b0、b1、b2和S0;换而言之,利用步骤S310中的测温参数的初始值,计算测温参数b0、b1、b2和S0,并用计算得到的测温参数,替换掉原来的测温参数,并依此循环计算40次,得到最终的测温参数。
综上所述,本发明提供的校准测温参数的测温方法,通过获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压,来校准测温参数,使温度的测量不再受外界环境温度的,最后利用校准后的测温参数计算被测物体的实际温度,提高了温度测量的准确性。
基于上一实施例中的可校准测温参数的测温方法,本发明还提供一种可校准测温参数的测温装置,请参阅图3,所述装置包括:红外热电堆传感器10、参数获取模块20、校准模块30和计算模块40。在测温时,所述被测物体放置在红外热电堆传感器的正上方。
所述红外热电堆传感器10具有高精度、高灵敏度、低反应时间等特点,可运用在各种环境的测温中。所述红外热电堆传感器10中,热电堆吸收在感测范围内被测物体发出的红外能量(热量),热电堆产生的电压代表了红外能量。故可以通过热电堆产生的电压经过一系列计算后,得出被测物体的温度。
参数获取模块20,用于获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压。所述红外热电堆传感器10的环境温度为红外热电堆传感器10自身的温度,具体为红外热电堆传感器10中热电堆的温度。红外热电堆传感器10产生的电压为被测物体放置在红外热电堆 传感器10正上方后,热电堆接收到被测物体辐射的能量后产生的电压。
校准模块30,用于根据所述环境温度和电压,校准测温参数。
计算模块40,用于根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数,计算被测物体的实际温度。
进一步的,所述本发明提供的可校准准测温参数的测温装置中,所述计算模块40具体用于:
根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S:
S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2];
根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射VOS:
VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2];
根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(VOBJ):
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2;
根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数,计算被测物体的实际温度TOBJ:
其中,所述a1、a2和c2为常数,所述b0、b1、b2和S0为测温参数;所述VOBJ为红外热电堆传感器产生的电压;TDIE为红外热电堆传感器的环境温度;所述TREF为常温,具体为298.15K(25℃);公式中温度的单位均为开尔文。
所述计算模块40运用的计算公式的理论依据是:斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law):一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比。设被测物体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量为ERed,则根据斯特藩-玻尔兹曼定律有:其中,σ为斯特藩-玻尔兹曼常数,σ=5.7×10-12W/cm2/K4。ε为被测物体的发射率,指被测物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比,又称为黑度。
所述VOBJ为红外热电堆传感器热电堆产生的电压,VOBJ近似等于红外热电堆传感器热电堆吸收的全部热量减去自身辐射的热量,需要说明的是,热电堆吸收的全部热量即为被测物体辐射出的总能量ERed,即本发明近似认为热电堆已完全吸收被测物体辐射出的总能量。则有 由此可以推导出被测物体的温度为:
其中,b0、b1和b2是环境温度对VOS的影响因子,所述b0、b1、b2和S0为测温参数,需要经过校准。所述a1,a2,c2是红外热电堆传感器的参数,其值为常数。所述常数a1、a2和c2的具体值为:a1=1.75×e-3,a2=-1.68×e-5,c2=13.4。
进一步的,本发明提供的可校准测温参数的测温装置中,所述校准模块30具体用于:
将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为:
b0=-2.94×e-5,b1=-5.7×e-7,b2=4.78×e-9,s0=6×e-14;
根据红外热电堆传感器产生的电压VOBJ,红外热电堆传感器的环境温度TDIE,和公
式计算得出f(VOBJ)的值;
依计算得到的f(VOBJ)的值和公式
f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,计算得出热电堆自身的热辐射VOS;
根据公式 VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2],对VOS和(TDIE-TREF)进行二项式拟合,得出测温参数b0、b1、b2的值;
根据计算得出的测温参数b0、b1、b2的值,由公式VOS=b0+b1×(TDIE-TREF)+b2×(TDIE-TREF)2]重新计算出VOS的值;
根据公式f(VOBJ)=(VOBJ-VOS)+c2×(VOBJ-VOS)2,重新计算出f(VOBJ)的值;
根据公式f(VOBJ)=(TOBJ 4-TDIE 4)×S和公式S=S0×[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],得出公式(TOBJ 4-TDIE 4)×S0=f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2],对(TOBJ 4-TDIE 4)和f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2]进行一次线性拟合,得出新的测温参数S0,具体的,对(TOBJ 4-TDIE 4)计算出的值和f(VOBJ)/[1+a1×(TDIE-TREF)+a2×(TDIE-TREF)2]计算出的值进行一次线性拟合,得出新的测温参数S0;
对测温参数b0、b1、b2和S0进行迭代计算40次,得出最终的测温参数。换而言之,利用测温参数的初始值,计算测温参数b0、b1、b2和S0,并用计算得到的测温参数,替换掉原来的测温参数,并依此循环计算40次,得到最终的测温参数。
本发明提供的可校准测温参数的测温装置,只需获取红外热电堆传感器10的环境温度和红外热电堆传感器10产生的电压,即可校准测温参数,并利用校准参数和、红外热电堆传感器10的环境温度和其产生 的电压计算出被测物体的温度,使温度测量变得简单而又精确。
可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。